5-反应器设计说明书

中石化齐鲁石化年产15万吨醋酸乙烯项目 可行性研究报告中石化齐鲁石化分厂年产15万吨醋酸乙烯项目2019 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛反应器设计说明书燕山大学酯日可待队团队成员：郭石麟、龚淳铠、丰闪闪、刘 拴、王荟欣指导老师：何云华、郭丽杰、姜 洋、康建新、李红冠 燕山大学酯日可待队 1/50中石化齐鲁石化年产15万吨醋酸乙烯项目 可行性研究报告目录3.1反应器设计概述13.2 VAM合成反应器（R0101）设计23.2.1催化剂23.2.2乙烯氧乙酰化合成醋酸乙烯动力学说明53.2.3反应条件选择73.2.4反应器选型83.2.5反应物流参数93.2.6反应器结构设计103.2.7换热任务核算（按单台反应器算）143.2.8反应器构件计算173.3反应器创新构件设计（创新）203.4反应器压降校核223.5结果汇总233.6反应器R0101工艺条件图243.6反应器R0101工艺装配图253.7反应器SW6校核263.8反应器设计小结623.9反应器设计一览表63 燕山大学酯日可待队 2/4中石化齐鲁石化年产15万吨醋酸乙烯项目 反应器设计说明书3.1反应器设计概述化学反应器是将反应物通过化学反应转化为产物的催化剂装置，是化工生产及相关工业生产的关键设备。由于化学反应种类繁多，机理各异，为了适应不同反应的需要，化学反应器的类型和结构也必然差异很大。反应器的性能优良与否，不仅直接影响化学反应本身，而且影响原料的预处理和产物的分离效果，因而反应器设计过程中需要考虑的工艺和工程因素应该是多方面的。反应器为工艺流程中反应进行的场所，设计时主要需考虑到以下要点：1）保证物料转化率和反应时间；2）满足物料和反应的热传递要求；3）注意材质选用和机械加工要求；4）反应器内温度分布均匀；5）反应器有足够的壁厚，能承受反应压力；6）反应器结构满足反应发生的要求，保证反应充分；7）反应器材料满足反应物腐蚀要求；8）保证原料有较高的转化率，反应有理想的收率。反应器按结构大致可分为管式、釜式、塔式、固定床和流化床等。表3-1 反应器简介型式适用的反应优缺点管式气相；液相返混小，所需反应器容积较小，比传热面大；但对慢速反应，管要很长，压降大釜式液相；液-液相；液-固相适用性大，操作弹性大，连续操作时温度、浓度容易控制，产品质量均一，但高转化率时，反应容积大填料塔气液反应结构简单，耐腐蚀，能获得较大的液相转化率。由于气相流动压降小，降低了操作费用，但存在壁流和液体分布不均等问题，其生产能力低于板式塔板式塔气液反应具有相当的持液量，气液相界面传质，传热系数大，但结构复杂，气相流动压降大固定床气-固（催化或非催化）相返混小，高转化率时催化剂用量少，催化剂不易磨损；传热控温不易，催化剂装卸麻烦流化床气-固（催化或非催化）相；特别是催化剂失活很快的反应传热好，温度均匀，易控制，催化剂有效系数大；粒子输送容易，但磨耗大；床内返混大，对高转化率不利，操作条件限制较大移动床气-固（催化或非催化）相；催化剂需要不断再生的反应传热好，反应连续，返混小，催化剂不断循环再生；控制固体均匀下移比较困难，可能发生“贴壁”和“空腔”现象。本项目主要涉及到醋酸乙烯合成反应器（乙醛为副产品），下面对其进行结构选型设计，并根据其反应（动力学、热力学）和物料、催化剂等方面的特点，计算所需的加料速度、操作条件（温度、压力、组成等）及反应器体积，并以此确定反应器主要构件的尺寸，同时还应该考虑经济的合理性和环境保护等方面的要求。3.2 VAM合成反应器（R0101）设计3.2.1催化剂3.2.1.1 催化剂的选择文献报道的有关VAM合成反应中Bayer法的催化剂可以分为四类，Bayer-（进口一代）、CT-（国产一代）、KRV-（进口三代）、CTV-（国产三代），详见下面叙述：1、Bayer法合成的发现和应用 乙烯气相Bayer法工艺由德国Bayer,Knapasck和Hochest三家公司联合开发，使用固定床反应器，单台反应器的生产能力在5万吨/年以上，1968年首先在日本可乐丽公司建成6万吨/年的工业化装置，其后世界各国普遍采用此工艺生产醋酸乙烯。2、Bayer法合成使用的催化剂 Bayer法工艺所使用的是负载型催化剂，载体选用无机的多孔物质，如氧化硅、氧化铝、活性炭等，负载金属核心组分是Pd，是催化剂的活性中心，另外还包括助催化剂：其一是金属助催化剂，可以是Au、Cd、或者Ba，其二是碱金属的醋酸盐，醋酸钠或者醋酸钾。醋酸乙烯催化剂的主要活性组分是钯和金，起催化作用的是金属Pd，金属Au没有催化活性，但加入Au会显著提高醋酸乙烯的产率和选择性。3、Bayer法合成使用的催化剂 反应温度： 140180反应压力：0.61.1MPa空速： 2000100h-1单程转化率： （以氧气计）5565 （以醋酸计）1835（以乙烯计）89 空时产率（以催化剂计） 6.72 t/m3*d选择性（以乙烯计） 904、Bayer法催化剂的综合性比较表3-2 催化剂综合性比较表进口一代国产一代进口三代国产三代催化剂型号Bayer-CT-KRV-CTV-载体硅胶/球形硅胶/球形硅胶/球形硅胶/球形活性组分分布蛋白型蛋白型蛋白型蛋白型Pd g/l2.97 3.632.97 3.632.97 3.632.97 3.63Au g/l1.35 1.651.35 1.651.35 1.651.35 1.65晶粒大小 A38.141.939.938.1STY t/m3.d7.67.68.78.7选择性 92929393综上所述，从VAM选择性、STY（空时产率）可以看出，相较进口一代、国产一代，进口三代和国产三代的选择性、STY均所提高。由aspen模拟得到的结果发现，利用进口三代催化剂的动力学方程得到的产品产率与文献较为吻合，因此本项目选择进口三代（KRV-）催化剂，载体为硅胶/球形，活性组分分布为蛋白型，催化剂晶粒大小为39.9A。3.2.1.2 催化剂性能分析乙烯气相法合成醋酸乙烯催化剂的主活性组分是元素周期表第八族的过渡金属元素，用得较多的是Pd和Pt, Pd因为晶格距离为3.6-3.8A，外围电子构型4d105S0, d的特性百分率为46%，对乙烯氧乙酞化反应具有适宜的d带空穴，对乙烯、氧气、醋酸和醋酸乙烯有较强的化学吸附力，因此对该反应具有足够活性，故而成为氧乙酰化合成醋酸乙烯催化剂的主活性组份首选。且催化剂的空时产率随着Pd含量的增加而提高，但Pd含量过高，将因难以及时移去反应热而选择性降低，严重时发生飞温，另一方面催化剂的制造成本上升，Pd的利用率降低。为此，工业催化剂的Pd含量通常控制在0. 5wt%-3wt%。为了提高催化剂的选择性，在活性组份Pd中引入惰性物质Au, Au本身对乙烯氧乙酞化反应没有催化活性，但其原子半径(l.79A)与Pd相同，晶体结构与Pd相同。当把Au加入Pd中，Au与Pd互熔为合金，Au将Pd隔离开来，使Pd在载体上保持良好的分散状态，将此前二个Pd原子直接相邻时的-Pd-Au-Pd-Au-结构，形成了单个Pd活性中心，此时乙烯在Pd上进行单中心解离吸附。这种吸附形式可防止乙烯在Pd-Pd双中心上解离吸附后易于深度氧化生成二氧化碳，减少了深度氧化，有利于提高催化剂的选择性，间接提高了催化剂的活性。另外Au的加入还可使Pd的d带空穴更加适宜，吸附力更加适中。研究表明，当Pd含量控制在一定范围内，催化剂的活性随着Au含量的增加而提高，通常催化剂中Au/Pd比例控制在0.25-1.0。乙烯氧乙酞化合成醋酸乙烯催化剂采用醋酸钾作为助剂，其作用是帮助反应组分醋酸在把金属上缔合，促进吸附的醋酸解离和脱氢，使把一氧键结合力减弱，促进醋酸钯的分解。此外，还可抑制深度氧化反应，从而提高反应的选择性。在一定范围内，提高催化剂中的醋酸钾含量可以提高催化剂活性。助催化剂的效应与活性组分钯含量有关，当催化剂的钯含量较低时，助催化剂的促进作用也较小。通常催化剂在使用过程中醋酸钾会逐渐流失，致使催化剂的活性明显下降，同时催化剂的选择性也相应降低。为了延长催化剂的使用寿命，稳定催化剂的活性及选择性，工业生产上一般从开车第五天开始连续补加醋酸钾。补加量与流失量应保持平衡，过低则造成催化剂的活性和选择性降低，过多则覆盖了催化剂的活性表面，同样会降低其活性。3.2.2乙烯氧乙酰化合成醋酸乙烯动力学说明3.2.2.1反应方程式1. 反应机理 在乙烯气相氧乙酰化合成醋酸乙烯的反应过程中，催化剂是固体的，乙烯、氧气、醋酸则均以气态的形式参与反应，因而发生的是气-固相反应，是属于非均相的催化反应。生成醋酸乙烯的氧是分子态的氧，而原子态的氧则与乙烯反应生成了二氧化碳副产物。目前，对于该反应的研究机理尚无定论，主要有以下二种不同的看法，一种是基于乙烯液相氧乙酰化反应机理的氧化-还原-表面反应机理，另一种是表面吸附反应机理、1）氧化-还原-表面反应机理 持氧化-还原-表面反应机理的观点认为气相法和液相法的反应经历相类似，二价钯与乙烯形成络合物，醋酸阴离子配位体对乙烯则进行亲核加成，从而形成络合物，该络合物分解后即形成醋酸乙烯和金属钯，钯被重新氧化为二价钯。图3-1氧化还原反应机理图上述氧化-还原-表面反应机理都是在一定范围的反应条件下，催化剂高度分散的金属钯被氧气氧化为醋酸钯，同时生成水，醋酸钯与气相中乙烯经过一定的络合转换而生成了醋酸乙烯，还原出来的金属钯则与氧气反应又变成醋酸钯，如此反复循环。最近Crathorne等人应用同位素瞬态动力学技术来研究醋酸乙烯催化剂，结果表明，没有可逆的化学吸附的乙烯和氧气存在，这一发现与氧化-还原-表而反应机理相符。2）表面吸附反应机理 持表面吸附反应机理的研究者大多认为:乙烯、氧气和醋酸分别解离吸附在钯上相互作用，被吸附的乙烯和醋酸合成了醋酸乙烯，而乙烯和醋酸被夺取的氢则与吸附的氧发生反应生成水分子，少量解离吸附的乙烯还同时与解离吸附的氧反应生成二氧化碳这一副产物。表面吸附反应机理是目前被认为较有可能的一种反应机理。赵振兴等人于1992年用阶跃应答法研究了该反应，提出了表面吸附反应机理。与以上两种表面吸附机理的不同之处在于生成醋酸乙烯的氧是分子态的氧，而原子态的氧则与乙烯反应生成了二氧化碳副产物。他们认为:物理吸附的醋酸与分子态吸附的氧作用生成化学吸附的醋酸，进而与表面吸附的乙烯发生反应，生成表面吸附的醋酸乙烯。 图3-2表面吸附反应机理2. 主反应方程式 (1)3. 副反应方程式 (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)3.2.2.2 反应动力学1. 主反应以及主要副反应的动力学根据文献CTV- V型乙烯氧乙酞化合成醋酸乙烯催化剂的研制查得：主反应和主要副反应的动力学数据如下：图3-3 动力学数据截图2. 其余副反应动力学其余副反应的产物有乙醛，醋酸甲酯，醋酸乙酯，丙烯醛，乙二醇二乙酸酯。由于反应主产物的选择性较高，其余副反应的动力学方程式对于反应过程中的结果影响甚微，根据其影响，我们只考虑其余副反应对整体反应的影响，即利用其转化率进行aspen模拟。副产品的转化率参考CTV-VI型醋酸乙烯催化剂的工业应用。图3-4其余反应动力学数据截图3.2.3反应条件选择3.2.3.1 反应温度的选择 根据黄弘等人的测试结果表明，在140180，空时合适的情况下，反应选择率能达到90%以上。因此，反应温度应选在该范围。由于主反应是一个放热反应，随着温度升高，选择性会降低，因此温度不宜过高。利用Aspen Plus V8.4软件模拟可得到控制反应温度在160165时，可达到年产量的要求，且选择率较高。因此将反应器的温度控制为160165。3.2.3.2反应压力的选择根据黄弘等人的测试结果表明，反应在0.81.0Mpa压力范围内进行，根据动力学以及Aspen模拟结果表明，压力在0.9Mpa下，主反应的选择率较高，可以达到年产量的要求。因此本反应压力选择为0.9Mpa。3.2.3.3反应空速的选择反应空速影响反应的转化率和选择性，高的空速可以提高主反应的选择性，但会使转化率下降，根据该文献中实验测试结果表明以及优化，我们选择催化剂体积时空速度2100 h-1的空速较为合适。 3.2.4反应器选型乙烯气相法合成醋酸乙烯反应为气固两相反应，常用的反应器形式有固定床反应器和流化床反应器。流化床反应器虽然可以增加两相间接触面积，降低外扩散影响，提高传热与传质效率等特点。但是由于催化剂颗粒的剧烈运动，造成固体颗粒与流体的返混加剧，降低了反应器的效率，导致反应物浓度下降，反应速率降低，转化率下降。同时，流化床反应器对催化剂颗粒的机械性能，如耐磨性等也提出了较高的要求。而实验中所用的催化剂多缺乏此类的性能测试，使用流化床反应器会增加催化剂破碎率，增加催化剂的损耗。同时催化剂与反应器器壁发生剧烈碰撞，易造成设备与管道的腐蚀，增大设备损耗。固定床中催化剂颗粒固定不动，返混少，反应物的平均浓度高，反应速率较快，可以克服上述流化床反应器的缺点。除此之外，固定床内的流体流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性；可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力；结构简单、催化剂机械磨损小，催化剂成本降低；反应器的操作方便、操作弹性较大。结合上述分析，为减少因催化剂磨损造成的浪费以及方便实现长时间的高效率连续化生产，固定床反应器为较为合适。考虑到本反应为一个放热的反应，热效应较大，而反应又需要在一个合适的温度范围内反应，如果使用绝热式固定床反应器，很快温度会下降至不适宜反应的温度，转化率与选择性均会降低，因此需要选择换热式的固定床反应器，通过高温流体提供反应所需要的热量，并将温度维持在一个适宜反应的范围，因此选择列管式反应器。本工艺反应器采用的是152的工业软水换热，使反应器内温度保持在160165。停车时要使用40的工业软水换热，这是为了保持加压水温度比大气温度高几度，防止反应器内壁结露，催化剂受潮。 图3-5停车时反应器的换热介质依据图3.2.5反应物流参数表3-3 反应流股物流参数项目单位反应器进料R0101A入口反应器出料R0101B出口相态-Vapor PhaseVapor Phase温度C162.181170压力bar9.0138.813摩尔流量kmol/hr5180.5385058.416乙烯kmol/hr2363.422087.944醋酸kmol/hr652.9564424.8888氧气kmol/hr405.9414196.924氮气kmol/hr117.931117.931醋酸乙烯kmol/hr9.810133233.713乙醛kmol/hr8.50080528.94115二氧化碳kmol/hr1546.7811604.66水kmol/hr23.70746307.815醋酸甲酯kmol/hr0.1304681.691883醋酸乙酯kmol/hr0.0068490.229957二醋酸乙二酯kmol/hr0.0043660.058874甲烷kmol/hr49.0057849.00578乙烷kmol/hr1.5045261.504526甲酸kmol/hr0.0328030.032803丙烯醛kmol/hr0.2610842.532234质量流量kg/hr192410192410体积流量cum/hr20803.6821147.383.2.6反应器结构设计3.2.6.1催化剂装填的确定催化剂总体积VR（m3）是决定反应器主要尺寸的基本依据，计算公式如下所示：式中：V0原料气标准体积流量，m3/h GHSV催化剂体积时空速度，h-1经过优化以及查阅文献，取催化剂体积时空速度为2100 h-1根据Aspen Plus模拟数据可查到，反应器进料的质量流量为m=192410kg/h，标准密度标=1.91kgm3 V0=m标=1924101.91=100738.2m3/hVR=V0GHSV=100738.22100=47.9m3催化剂用量：根据乙烯法醋酸乙烯催化剂工业应用，取该种催化剂的装填密度为 0.41kg/L。图3-6装填密度依据因此催化剂装填量为：m=VR=19639kg由于催化剂的装填密度通常会有上下波动，实际催化剂的装填量可能会稍有波动，根据装填方式不同而改变。3.2.6.2催化剂床层直径的确定：首先以理想管式反应器计算催化剂床层直径，查阅文献化工流体常用经济流速，对于9bar的操作压力，该压缩气体的空床流速取1.25m/s较为适宜，则床层直径计算如下：Db=4V03600u=4100738.236001.25=5.34m圆整后取5.4m。3.2.6.3反应器列管尺寸以及根数1列管尺寸为了减小管壁效应，反应管径至少要在粒径的8倍左右，查阅常用的的无缝钢管尺寸，选用的规格为f383.5mm的无缝钢管;由于进料中含有醋酸，具有腐蚀性，所以使用材料为S30408。2保护剂和支撑剂的填充高度为了防止催化剂泄漏，通常在列管内设有保护剂和支撑剂，底部还有支撑弹簧。通常取保护剂填充高度为h1=200mm，支撑剂填充高度为h2=200mm，支撑弹簧的高度为h3=150mm。3列管长度利用Aspen Plus模拟得到列管长度为12m时，年产量可以达到要求。但是由于常用的列管长度小于9m，所以将该反应器分为两个，每个反应器的列管长度为6m,即L=6m。4列管根数列管根数根据装填的催化剂量来计算。一根列管的装填量V1:V1=di24L-h1-h2-h3 =0.031246-0.2-0.2-0.15 =0.0041m3每台反应器的催化剂装填体积VR1=47.92=23.95m3所需列管根数：n=VR1V1=23.950.0041=5841根所以每个反应器具有5841根列管。3.2.6.4催化剂填充高度 催化剂填充高度h=L-h1-h2-h3=5.45m3.2.6.5反应器壳体直径每个反应器管数5841根，为了方便清洗，反应器的列管采用正方形排列。列管与管板的连接方式选择先强度焊，后密封胀。这样的顺序会加强焊缝的质量。一般焊胀并用时，列管间距t=（1.31.5）do。取t=1.5do=1.538mm=57mm正方形排列时，通过管束中心线的管数：nc=1.19n=1.195841=91根管束中心线最外层管的中心至壳体内壁的距离：取e=1.25d0：e=1.25d0=1.2538=47.5mm壳体内径：D=t(nc-1)+2e=5.225m圆整后取5.5m。3.2.6.6反应器长度设计反应器长度还应该包括筒底空间与筒顶空间，根据压力容器手册一般都取1m左右：因此反应器的反应段总长度（不包括封头、裙座等外部结构）计算如下：H=Ha+Hb+L=8m3.2.6.7折流板设计 在这个列管式反应器中，我们采用弓形折流板，通常取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%25%，此处取20%，则切去的圆缺高度为： h=0.2D=0.25500mm=1100mm折流板间距为(30%60%)D,此处取0.3D。 B=0.35500mm=1650mm折流板数量：NB=LB-1=60001650-1=33.2.6.8反应器形式Aspen模拟该反应是一个放热反应，参考文献与相关专利，反应温度在140180，反应压力在0.91.0Mpa为佳，此时催化剂的选择性高，反应也很快，为了进一步了解反应中实际的反应情况，我们通过Aspen Plus模拟所需的反应温度和压力。（1） 反应温度模拟图3-7 反应温度-产量图我们将反应器内温度控制在160165，从图中可以发现，反应温度在160时醋酸乙烯的净产量可以达到224kmol/h，换算为净质量产量为19264kg/h,可以达到年产量的要求。（2） 反应压强模拟图3-8 反应压强-产量图从图中可以发现，当反应压强达到0.9bar时，净产量可以达到224kmol/h，换算为净质量产量为19264kg/h，可以达到年产量的要求。3.2.7换热任务核算（按单台反应器算） 3.2.7.1概述使用Aspen模拟混合物体系参与反应的反应热，当反应达到要求的时候，总的换热负荷为Q=20646.61508=22154.6kW，所以单台反应器的热负荷Q1=22154.62=11077.3KW。单台换热器的实际换热面积为：A总=ndoL=58410.0386=4181.6m2由于反应器内的组成时刻在变化，换热系数也在发生变化，因此只能够粗略地估算该列管式反应器的换热系数。3.2.7.2换热系数估算（1）床层（列管内）的传热系数i根据石油化工设计手册对于球形颗粒，ido=2.26Pr0.33Re0.8exp-6dedo式中, do为列管外径，m 为导热系数，W/mK de为催化剂粒径，m通过Aspen模拟出的气相物料的物性参数如下：表3-4换热流体传热系数计算条件参数表0deCp9.2817 kg/m35.5mm1.673E-05 Pas0.0425W/mK1447 J/kgKPr=CP=14470.00001670.0425=0.57Re=deu01-B=0.00551.259.28170.00001671-0.39=6264.0式中， u0为空床气速， B为床层孔隙率，查文献值为0.39所以i=2.260.570.3362640.8e-60.00550.0380.042510.038=960.69 W/m2K（2）壳程传热系数计算： odt=3.5deG0.7exp-4.6dedi 式中： 流体导热系数，W/mk；G 流体的表观质量流速，kg/(m2s)； 流体粘度，Pas；de催化剂粒径，m； di列管内径，m。G=u0=9.28171.25=11.6kg/m2s气相混合密度;u0空床气速。表3-5 壳程传热系数计算条件参数表dideG31mm5.5 mm1.454E-05Pas0.02944W/mK11.6 kg/(m2s)计算结果如下：o=3.50.005511.60.000014540.7exp-4.60.00550.0310.029440.031 =682.7W/(m2K) 污垢热阻：查化工原理课本，管程为0.000172(m2K)/ W，壳程为0.000172 (m2K)/ W总传热系数的计算：列管选用钢材S30408，其导热系数为：=16W/(mK)。以内管表示的总传热系数K为：K=11o+bdodm+1idodi+Rso+Rsidodi经计算得K= 300.3W/(m2K)3.2.7.3换热面积核算由进出口物料的温度计算对数平均传热温差：t1=T1-t2=170-153=17t2=T2-t1=162-152=10tm=t1-t2lnt1t2=13.2 所需要的换热面积为： A需=Q1tmK=1107730013.2300.3=2794.5m2 换热面积裕量为： A裕=A-A需A=4181.6-2794.54181.6100%=33.2%符合换热要求。3.2.8反应器构件计算3.2.8.1反应器进料接管计算醋酸乙烯合成是气固相催化反应，单台反应器的气体体积流量为20803.68/2=10401.84 m3/h，反应器的气体流速取30m/s。接管内径为：d1=4Vu=410401.84360030=0.350m根据GB/T8163-2008无缝钢管，材料为S30408，选取外径为377mm，壁厚为10mm的无缝钢管，即37710mm，接在前端管箱封头处。3.2.8.2反应器出料接管计算 单台反应器的气体出口体积流量为21147.38/2=10573.69m3/h，反应器出口的流速取30m/s。 接管内径为：d2=4Vu=410573.69360030=0.353m 根据GB/T8163-2008无缝钢管，材料为S30408，选取外径为377mm，壁厚为10mm的无缝钢管，即37710mm，接在后端管箱筒体处。3.2.8.3管板设计管板是列管与塔体连接部件，本反应器的管板与管壳程筒节连接时，采用应力释放槽的结构，这种结构的优点是能够在不增加管板毛坯厚度的前提下减轻管板边缘的应力集中，提升设备整体强度。管板厚度取50mm。图3-9 管板连接结构图3.2.8.4反应管与管板的连接结构为了增强焊缝的质量，我们采用先强度焊，后密封胀的连接结构。从而保证列管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度。3.2.8.5管板法兰及管板的结构设计根据反应器的初步结构确定，本工艺采用固定式管板兼做法兰，选材为Q345R。管箱法兰与管板法兰通过螺栓连接，螺栓数目为58个，选材为Q345R，公称直径为24mm。3.2.8.6反应器壳体参数计算 由Aspen流股模拟信息可以得到，管程的操作压力为9bar，最高温度为170，壳程的操作压力为5bar，最高温度为152，在无安全泄放装置的情况下，内压容器的设计压力取P=(11.1)PW，设计温度一般比最高温度高1530左右。因此管程设计压力为9.9bar，设计温度为190，选材为S30408，壳程设计压力为5.5bar，设计温度为170，选材为Q345R。管箱壁厚按照SW6校核给出。反应器为内压容器，其壳体的壁厚计算如下：=pcDi2t-pc式中，壳体计算厚度，mm；pc操作时可能的最大压力，无安全泄放装置情况，内压容器取P=(11.1)PW，MPa；t材料在操作温度范围内的许用应力，MPa；焊接系数，20%无损检测下，单面焊取0.65，双面焊取0.85； Di为壳体内径，mm。在本工艺中，进行双面焊取，焊接系数取0.85。查阅GB 713可知190下，Q345R许用应力为183Mpa由此可以算出计算厚度为：=55000.9921830.85-0.99=17.6mm取腐蚀余量为2mm，负偏差为0.3mm则该壳体的名义厚度C为：C=+C1+C2=19.9mm经SW6校核后取22mm。该计算出来的壁厚需要经过强度校核，一般由水压试验进行校核。试验压力计算如下：PT=1.25pt=1.250.99189183=1.28Mpa压力校核公式为： 有效厚度为e=22-0.3-2=19.7mm 因此可以得到： T=PTD+e2e=1.285500+19.7219.7=179.32Mpa压力校验通过需满足下式：T0.9S=0.90.85345=263.925Mpa 显然压力校核通过，因此耐压试验强度通过。3.2.8.7封头的计算本反应器的封头选择标准椭圆形封头，形状系数K=1,为焊接方便，壁厚和材料与管箱筒体一致，选择Q345R，厚度为20mm。查阅化工设备设计基础，壁厚20mm的封头直边高度为50mm，圆边高度为四分之一的内径，即： hi=14D=0.255500=1375mm e=20mm3.2.8.8支座的计算为方便拆卸与维修，根据反应器大小所选择合适的支座为耳式支座，耳式支座的标准为JB/T4712.3-2007,查阅之后选择A型的耳式支座，形状如下：图3-10 A型耳式支座示意图具体参数通过反应器的公称直径选择支座号为4的A型支座，具体参数如下：高度H=250mm，底板：L1=200mm，B1=140mm，e=14mm，S1=70mm;筋板：L2=160mm，B2=140mm, e=8mm;垫板：L3=315mm，B3=250mm，e=8mm，e=40mm；盖板：B4=30mm，地脚螺栓：d=30mm，规格为M24。3.3反应器创新构件设计（创新）反应器创新依据专利CN 203494495 U1. 气相乙烯法反应器的发展近年来，随着醋酸乙烯生产规模的不断扩大，反应器直径不断增大，均匀、快速移热问题就成为工程开发的关键问题之一。这又归结为反应器内流体的均匀分布问题。如果流体不能均匀分布、热量不能及时移走，形成飞温，造成局部温度过高，不仅影响催化剂和反应器的利用效率，影响目的产物的选择性和收率，而且可能会造成反应器的损坏，最终影响装置的安全运行。2. 创新型反应器构件设计1）设计分析为了解决上述问题，我们在原有的固定床列管反应器基础上，设计载热流体进口和出口导流筒，在反应器壁面上设计导流孔。载热流体入口导流筒，载热流体出口导流筒的设计是为了强化列管式固定床反应器壳程流体的传热效果。载热流体入口、出口导流筒的设计，一方面可以减少载热流体对反应管的冲击，延长反应器的使用周期；另一方面能实现载热流体在壳程均匀分布，减少流动死区，提高热交换效率，提高催化剂利用率，从而提高反应转化率和目的产物选择性。如果不设置载热流体入口、出口导流筒，载热流体通过入口管直接进入列管式固定床反应器壳程，一方面高速流动的载热流体将对反应管产生强烈的冲击，使得反应管发生震动，缩短反应器的维修周期，降低反应器的使用寿命；另一方面在壳程径向截面上产生巨大的流体分配差异，影响列管式固定床反应器的移热效率。2） 设计结果根据专利文献进行合理设计，最终我们设计出来载热流体进口导流筒高度H1=1300mm，载热流体进口导流筒宽度L1为300mm，导流孔30个，最大导流孔直径Di=110mm,最小导流孔直径Di为80mm，载热流体进口导流筒内壁距下管板距离H3为-160mm，最大直径导流孔下沿距下管板距离H2为100mm；载热流体出口导流筒高度H2为2050mm，载热流体出口导流筒宽度L2为300mm，导流孔30个，最大导流孔直径Do为230mm，最小导流孔直径Do为210mm，载热流体出口导流筒内壁距上管板距离H9为2150mm，最大直径导流孔上沿距上管板距离H6为120mm。3.4反应器压降校核压降的计算公式可以用Ergun（厄根）公式计算： p=f(1-B)B3Bu02de =1.79 Rem=deu0(1-B)=deG(1-B)经计算，压降结果如表：表3-6 填料段压降结果表压降计算第一台反应器第二台反应器反应器长度L（m）8.858.85床层空隙率B0.390.39混合气粘度（Pas）1.673E-05 1.673E-05雷诺数ReM6264.16264.1摩擦系数f1.791.79混合气密度（kg/m3)9.281749.28174催化剂粒径（mm）5.55.5空床流速u0（m/s）1.251.25床层压降（Pa）48528.248528.2床层压降（kpa）97.06最终反应器的压降为97.06kpa，操作压力0.99Mpa的15%=148.5kpa，很明显，99.06148.5,所以符合压降的要求。3.5结果汇总由上述选型结果可以看到：1. 该反应器为速率模型反应器，符合设计要求。2. 该反应的速率模型来源合理，动力学方程有专利文献支撑且应用格式与单位正确，符合设计要求。3. 计算了催化剂装填体积，进行了反应器换热核算，进行了反应器压降校核，符合设计要求。4、进行了反应器结构设计和构件计算，符合设计要求。3.6反应器R0101工艺条件图图3-11 反应器R0101工艺条件图3.6反应器R0101工艺装配图图3-12反应器R0101工艺装配图3.7反应器SW6校核固定床列管式反应器设计计算计算单位燕山大学-酯日可待队设 计 计 算 条 件 壳 程管 程设计压力 0.55MPa设计压力 0.99MPa设计温度 170设计温度 190壳程圆筒内径Di5500 mm管箱圆筒内径Di5500mm材料名称Q345R材料名称Q345R 简 图计 算 内 容壳程圆筒校核计算前端管箱圆筒校核计算前端管箱封头(平盖)校核计算后端管箱圆筒校核计算后端管箱封头(平盖)校核计算膨胀节校核计算管箱法兰校核计算开孔补强设计计算管板校核计算前端管箱筒体计算计算单位燕山大学-酯日可待队计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 pc 0.99MPa设计温度 t 190.00 C内径 Di 5500.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 185.00MPa设计温度许用应力 st 172.60MPa试验温度下屈服点 ss 325.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 18.62mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 19.70mm名义厚度 dn = 22.00mm重量 23967.20Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值pT = 1.25p = 1.3264 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 218.61 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 pw= = 1.04723MPa设计温度下计算应力 st = = 138.69MPastf 146.71MPa校核条件stf st结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度15.00mm,合格前端管箱封头计算计算单位 燕山大学-酯日可待队计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 pc 0.99MPa设计温度 t 190.00 C内径 Di 5500.00mm曲面深度 hi 1375.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 172.60MPa试验温度许用应力 s 185.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 pT = 1.25p= 1.3264 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 218.22MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 18.59mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 19.70mm最小厚度 dmin = 8.25mm名义厚度 dnh = 22.00mm结论 满足最小厚度要求重量 5675.26 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 pw= = 1.04910MPa结论 合格后端管箱筒体计算计算单位燕山大学-酯日可待队计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 pc 0.99MPa设计温度 t 190.00 C内径 Di 5500.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 185.00MPa设计温度许用应力 st 172.60MPa试验温度下屈服点 ss 325.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 18.62mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 19.70mm名义厚度 dn = 22.00mm重量 23967.20Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值pT = 1.25p = 1.3264 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 218.61 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 pw= = 1.04723MPa设计温度下计算应力 st = = 138.69MPastf 146.71MPa校核条件stf st结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度15.00mm,合格后端管箱封头计算计算单位 燕山大学-酯日可待队计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 pc 0.99MPa设计温度 t 190.00 C内径 Di 5500.00mm曲面深度 hi 1375.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 172.60MPa试验温度许用应力 s 185.00MPa钢板负偏差